制药分离工程-第五章反胶团萃取与双水相萃取
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萃取技术—双水相萃取技术(药物分离纯化课件)
内侧流 外侧 分配 萃取物
体 流体 系数
细胞色素 C 磷酸盐 PEG 0.18 肌红蛋白 磷酸盐 PEG 0.009 过氧化氢酶 磷酸盐 PEG 0.12 尿激酶 磷酸盐 PEG 0.65
内侧流 速,cm/s
16.3 4.0 16.3 16.3
外侧流 传质系 速,cm/s 数,cm/s
6.6 5.5?0 -6 5.0 7.5?0 -7 5.0 2.8?0 -5 5.0 2.0?0 -4
双水相萃取的应用--双水相萃取技术（萃取技术）
1.双水相萃取的应用
双水相分离条件 （1） 目的分子与细胞应分配在不同的相 （2） 分配系数应足够大 （3） 离心机容易分离
双水相萃取的应用
分离物质
举例
体系
NaDS-硫酸葡聚糖
酶 核酸 生长素 病毒 干扰素
细胞组织
过氧化氢酶的分离 分离有活性核酸DNA 人生长激素的纯化 脊髓病毒和线病毒纯化 分离β－干扰素
双水相萃取的应用--双水相萃取技术（萃取技术）
2.双水相萃取分离技术的发展方向 （1）廉价双水相体系的开发
优点： (1)蛋白质溶解度大。蛋白质在PPT浓度到15％以前没有沉淀，但在PEG浓度大于
5％时，溶解度显著地减小，在盐溶液中的溶解度更小。 (2)粘度小。PPT的粘度是粗dextran的1/2,传质好。 ⑶价格便宜。PPT几十$/kg,粗dex几百$/kg
系线
TMB：系线连接双节线上两点的 直线。
在临界点处，分配系数为1
临界点
药物分离与纯化技术课程
3．双水相相图
系线反映的信息:
(1)系线长度：衡量两相间相对差别的尺度。越长则两相间性质差 别越大，反之则越小；趋向于零时，（双节线上的点，临界点）， 两相差别消失，成为均一相。
第五章萃取技术.课件
有机溶剂中胶束 的表面活性剂分子的 疏水尾部向外，而亲 水头部向内，称为反 胶束。
当表面活性剂在有机溶剂中形成 反胶束时，水在有机溶剂中的溶解 度随表面活性剂浓度线性增大。
通过测定有机相中平衡水浓度的 变化，可以确定形成反胶束的最低 表面活性剂浓度。
反胶束的形成是表面活性剂分子 自发形成的纳米尺度的聚集体，是热 力学稳定的体系。
K a AH
（5-3）
其中，Ka为弱酸的解离常数；
[AH]和[A-]分别为游离酸和其酸根离 子的浓度。
如果在有机相中溶质不发生缔和， 仅以单分子形式存在，则游离的单分 子溶质符合分配定律，其分配常数为
Aa
AH
AH
（5-4）
其中，AH 表示有机相中游离酸的
浓度，Aa为游离酸的分配常数。
利用一般的分析方法测得的水 相浓度为游离酸和酸根离子的总 浓度，故为方便起见，用水相总
3．物理萃取和化学萃取
物理萃取
定义：溶质根据相似相溶原理在两相间 达到分配平衡，萃取剂与溶质间不发生 化学反应。
应用：广泛应用于抗生素及天然植物中 有效成分的提取。如利用乙酸丁酯萃取 青霉素。
化学萃取
定义：利用脂溶性萃取剂与溶质的化 学反应生成脂溶性复合分子，使溶质 向有机相分配。
应用：用于氨基酸、抗生素和有机酸 等生物产物的分离回收。
液体
双水相萃取
萃取剂
液固萃取（浸取）
固体原料 超临界流体
液体原料
2．反 萃 取
定义：调节水相条件，将目标产物从有机相 转入水相的操作。
作用：为了进一步纯化目标产物或便于后续 分离操作。
洗涤：常常加在萃取与反萃取操作之间，目 的是除去与目标产物同时萃取到有机相的杂 质，提高反萃取液中目标产物纯度。
当表面活性剂在有机溶剂中形成 反胶束时，水在有机溶剂中的溶解 度随表面活性剂浓度线性增大。
通过测定有机相中平衡水浓度的 变化，可以确定形成反胶束的最低 表面活性剂浓度。
反胶束的形成是表面活性剂分子 自发形成的纳米尺度的聚集体，是热 力学稳定的体系。
K a AH
（5-3）
其中，Ka为弱酸的解离常数；
[AH]和[A-]分别为游离酸和其酸根离 子的浓度。
如果在有机相中溶质不发生缔和， 仅以单分子形式存在，则游离的单分 子溶质符合分配定律，其分配常数为
Aa
AH
AH
（5-4）
其中，AH 表示有机相中游离酸的
浓度，Aa为游离酸的分配常数。
利用一般的分析方法测得的水 相浓度为游离酸和酸根离子的总 浓度，故为方便起见，用水相总
3．物理萃取和化学萃取
物理萃取
定义：溶质根据相似相溶原理在两相间 达到分配平衡，萃取剂与溶质间不发生 化学反应。
应用：广泛应用于抗生素及天然植物中 有效成分的提取。如利用乙酸丁酯萃取 青霉素。
化学萃取
定义：利用脂溶性萃取剂与溶质的化 学反应生成脂溶性复合分子，使溶质 向有机相分配。
应用：用于氨基酸、抗生素和有机酸 等生物产物的分离回收。
液体
双水相萃取
萃取剂
液固萃取（浸取）
固体原料 超临界流体
液体原料
2．反 萃 取
定义：调节水相条件，将目标产物从有机相 转入水相的操作。
作用：为了进一步纯化目标产物或便于后续 分离操作。
洗涤：常常加在萃取与反萃取操作之间，目 的是除去与目标产物同时萃取到有机相的杂 质，提高反萃取液中目标产物纯度。
(二)制药分离工程(二)萃取
由分配系数的计算可知，无论是物理萃取还是 化学萃取，水相pH值对弱电解质分配系数有显 著影响。
物理萃取时，弱酸性电解质的分配系数随pH 降低而增大，而弱碱性电解质则正相反，而分 配系数又直接影响萃取收率；另外，溶液的pH 也影响药物的稳定性。
应用： 1）红霉素萃取 红霉素是碱性电解质，在乙酸戊酯和pH 9.8的水相之间 分配系数为44.7，而水相pH 降至5.5时，分配系数降至
多数情况下，溶质在各相中并非以同一种分子 形态存在，特别是化学萃取中，这时分配系数 常用溶质在两相中的总浓度之比来表示，
适应条件：
当生成物浓度很低时，可表示成Henry型 平衡关系：y=mx；
当溶质浓度很高时，用Langmuir型平衡关 系.
• 萃取因子E：萃取平衡后萃取相与萃余相中
目标产物质量之比，是衡量萃取效率的指标 之一。
中，相分散和相分离容易； 毒性低，腐蚀性小，使用安全； 容易回收和再利用；
不与目标产物发生反应。 举例：常用于抗生素萃取的有机溶剂有醇类、 乙酸酯类及甲基异丁基甲酮等。
水相pH pH in the aqueous phase
– 对弱电解质萃取，水相pH影响分配系数（如
青霉素）
– in the case of extraction of weak electrolyte pH of the aqueous phase influence m (for example the extraction of penicillin).
– 应用：广泛应用于抗生素及天然植物中 有效成分的提取。如利用乙酸丁酯萃取 青霉素。
化学萃取 Chemical extraction (reactive extraction)
定义：利用脂溶性萃取剂与溶质之间的 化学反应生成脂溶性复合分子实现溶质 向有机相的分配。
重庆大学生物分离工程_第五章 萃取
萃取剂选择原则：使溶质在萃取相中有最大的溶解度
Light phase 萃取剂 Heavy phase
杂质 溶质
原溶剂
化学萃取
利用脂溶性萃取剂与溶质之间发生化学反应生 成脂溶性复合分子实现溶质向有机相分配的过 程。
萃取剂与溶质之间的化学反应包括离子交换和 络合反应等。
化学萃取中通常用煤油、己烷、四氯化碳和苯 等有机溶剂溶解萃取剂，改善萃取相的物理性 质，此时的有机溶剂称为稀释剂(diluent)。
再如图中，2.2％的葡聚糖水溶液与等体积的0.72 ％甲基纤维素钠的水溶液相混合并静置后，可得 到两个粘稠的液层。
葡聚糖与甲基纤维素钠的双水相体系
上述现象称为聚合物的不相溶性 (incompatibility)。如果多种不相溶的聚合物混 在一起，就可得到多相体系，如硫酸葡聚糖、 葡聚糖、羟丙基葡聚糖和聚乙二醇相混时，可 形成四相体系。
70年代以后，Kula，Hustedt和 Johansson等发展了双水相萃取技术在生 物分离过程中的应用，为蛋白质特别是 胞内蛋白质的分离与纯化开辟了新的途 径。
现在的研究已涉及到酶、核酸、生长激 素、病毒等各种物质的分离和提纯。
双水相萃取
(Aqueous Two Phase Extraction)
某些亲水性高分子聚合物的水溶液超过一 定浓度后可形成两相，并且在两相中水分 均占很大比例，即形成双水相系统(two aqueous phase system)。
Albertsson于50年代后期开发了双水相萃 取法(two aqueous phase extraction)，又称 双水相分配法(two aqueous phase partitioning)。
(2) 温度
Light phase 萃取剂 Heavy phase
杂质 溶质
原溶剂
化学萃取
利用脂溶性萃取剂与溶质之间发生化学反应生 成脂溶性复合分子实现溶质向有机相分配的过 程。
萃取剂与溶质之间的化学反应包括离子交换和 络合反应等。
化学萃取中通常用煤油、己烷、四氯化碳和苯 等有机溶剂溶解萃取剂，改善萃取相的物理性 质，此时的有机溶剂称为稀释剂(diluent)。
再如图中，2.2％的葡聚糖水溶液与等体积的0.72 ％甲基纤维素钠的水溶液相混合并静置后，可得 到两个粘稠的液层。
葡聚糖与甲基纤维素钠的双水相体系
上述现象称为聚合物的不相溶性 (incompatibility)。如果多种不相溶的聚合物混 在一起，就可得到多相体系，如硫酸葡聚糖、 葡聚糖、羟丙基葡聚糖和聚乙二醇相混时，可 形成四相体系。
70年代以后，Kula，Hustedt和 Johansson等发展了双水相萃取技术在生 物分离过程中的应用，为蛋白质特别是 胞内蛋白质的分离与纯化开辟了新的途 径。
现在的研究已涉及到酶、核酸、生长激 素、病毒等各种物质的分离和提纯。
双水相萃取
(Aqueous Two Phase Extraction)
某些亲水性高分子聚合物的水溶液超过一 定浓度后可形成两相，并且在两相中水分 均占很大比例，即形成双水相系统(two aqueous phase system)。
Albertsson于50年代后期开发了双水相萃 取法(two aqueous phase extraction)，又称 双水相分配法(two aqueous phase partitioning)。
(2) 温度
05反向微胶团萃取及双水相萃取
（3）认为生物大分子的非极性部分与多个微 胶团的非极性部分连接，由此形成生物大 分子溶解于多个微胶团之间的一种状态。
三、影响反相微胶团形成的因素
• 反相微胶团的形成、大小及形状，与表面活性剂 的种类、浓度以及操作时的温度、压力等有关。 反相微胶团一般比水相微胶团要小，其分子聚集 数一般都小于50。而水相微胶团的分子聚集数在 50～100之间。反相微胶团中的水分含量通常用 非极性溶剂中的水浓度和表面活性剂之比ω 0来表 示： • ω 0＝[H2O]/[表面活性剂] ω 0值越大，反相微胶团内的水分含量就越多，形成 的反相微胶团的半径就越大。能溶解水溶性成分 的量就越多。因此， ω 0值大小可以反应出反相 微胶团的大小和溶解能力。
二、影响组分在双水相系统中分配的主要因 子 1.聚合物的相对分子质量 聚合物的相对分子质量增加，生物大分子 或颗粒在该聚合物在该相中的分配系数会 下降。 2.成相溶液的浓度 当成相溶液浓度接近临界点时，可溶性组 分会均匀的分配在两相中，当远离临界点 时则趋向一侧分配。
3、无机盐 对于带负电荷的蛋白质，其分配系数因阳离子 的存在按下列顺续降低 Li+<NH4+<Na+<Cs+<K+ 一价阴离子则按下列顺序降低： F-<Cl-<Br-<I所以为了增加带负电的蛋白质的分配系数应使 用Li+、HPO42-、SO42-和－2价柠檬酸根离 子等，降低分配系数则用KCI、和NaCl。
2、水相酸碱度 微胶团内水分的酸碱度主要影响到生物大分 子的荷电性，进而影响到生物大分子和反 相微胶团的结合。 AOT属于阴离子型表面活性剂，其亲水部 分带负电荷，形成的反相微胶团内表面带 负电。当反相微胶团内水相的pH值小于生 物大分子的等电点pI时，可使生物大分子 带正电，这样生物大分子可与反相微胶团 中带负电性的内表面相吸，形成比较稳定 的含生物大分子的反相微胶团，可以较容 易的进行萃取。
制药分离工程：第五章 反胶团萃取与双水相萃取
基本术语
胶束(micelles):
在药剂学中是指: 向水中加入表面活性剂，其分子 则转入溶液中，因其亲油基团的存在，水分子与 表面活性剂分子相互间的排斥力远大于吸引力，
导致表面活性剂分子自身依赖范德华力相互聚集,
形成亲油基向内，亲水基向外，在水中稳定分散， 大小在胶体级别的粒子。
3
水溶液的表面张力随[S]增大而下降。当[S]达 到一定值后，S缔合形成水溶性胶束, 溶液的 表面张力不再随表面活性剂浓度的增大而降低。 胶团形成均是S分子自聚集的结果，是热力学 稳定体系。
表面活性剂在非极性的有机相中超过临界胶团浓度而聚集
形成反胶团,在有机相内形成分散的亲水微环境。
许多生物分子如蛋白质是亲水憎油的,一般仅微溶于有机
溶剂,而且如果使蛋白质直接与有机溶剂相接触,
往往会导致蛋白质的变性失活
因此萃取过程中所用的溶剂必须既能溶解蛋白质又能与水
分层,同时不破坏蛋白质的生物活性。
反胶团萃取技术正是适应上述需要而出现的。
d、pro疏水区与几个反胶团的S疏水尾发生相
互作用，被几个小反胶团所“溶解”。
24
5.1.4
反胶束萃取的操作
A 萃取的基本方法 B 反萃取
C
分级萃取
25
5.1.5 反胶束萃取的影响因素 1) pH value
AOT = 二-(2-已基已基) 琥珀酸酯磺酸钠
26
静电作用：
理论上,当溶质所带电荷与表面活性剂相反时,由 于静电引力的作用,溶质易溶于反胶团,溶解率或 分配系数较大,反之,则不能溶解到反胶团相中。 上图为pH值对不同蛋白质的溶解率急剧变化,当
21
5.1.3 反胶束的溶解作用
微水池溶解和分离作用：
双水相萃取技术
三、双水相萃取3.1 双水相萃取的原理及特点3.1.1 双水相萃取的原理双水相萃取与水-有机相萃取的原理相似，都是依据物质在两相间的选择性分配，但萃取体系的性质不同。
当物质进入双水相体系后，由于表面性质、电荷作用和各种力(如憎水键、氢键和离子键等)的存在和环境因素的影响，使其在上、下相中的浓度不同。
分配系数K等于物质在两相的浓度比，由于各种物质的K值不同，可利用双水相萃取体系对物质进行分离。
3.1.2 双水相萃取的特点双水相体系萃取具有如下特点：(1)含水量高(70%~90%)，是在接近生理环境的温度和体系中进行萃取，不会引起生物活性物质失活或变性；(2)分相时间短，自然分相时间一般为5~15min；(3)界面张力小(10-7~10-4mN/m)，有助于强化相际间的质量传递；(4)不存在有机溶剂残留问题；(5)大量杂质能与所有固体物质一同除去，使分离过程更经济；(6)易于工程放大和连续操作。
由于双水相萃取具有上述优点，因此，被广泛用于生物化学、细胞生物学和生物化工等领域的产品分离和提取。
3.2 双水相萃取在分离和提取各种蛋白质(酶)上的应用用聚乙二醇(PEG)/羟丙基淀粉酶(Reppal PEG)体系经两步法可从黄豆中分离磷酸甘油酸激酶(PGK)和磷酸甘油醛脱氢酶(GAPDH)。
在黄豆匀浆中加入PEG4000，可絮凝细胞碎片及大部分杂蛋白。
在上清液中加入PEG4000(12%)-ReppalPES(40%)，PGK在上相、GAPGH在下相的收率均在80%以上。
萃取过程的放大采用离心倾析机连续处理匀浆液，用离心萃取器完成双水相体系的两相分离，整个工艺具有处理量大、接触时间短、酶收率高的特点。
用PEG/(NH4)2SO4双水相体系，经一次萃取从A-淀粉酶发酵液中分离提取α-淀粉酶和蛋白酶，萃取最适宜条件为PEG1000(15%)-(NH4)2SO4(20%)，pH=8，α-淀粉酶收率为90%，分配系数为19.6，蛋白酶的分离系数高达15.1。
第五章 反胶团萃取与双水相萃取2
第二， pH 值影响磷酸盐的离解程度，从而改
变H2PO4-和HPO42- 之间的比例，进而影响相
间电位差。这样蛋白质的分配因pH值的变化发
生变化。pH值的微小变化会使蛋白质的分配系
数政变2～3个数量级。
(5) 温度
• 温度影响双水相系统的相图，从而影响蛋白质 的分配系数。温度越高发生相分离所需的高聚 物浓度越高。在临界点附近对双水相体系形成 的影响更为明显。但一般来说，当双水相系统 离双节线足够远时，1～2℃的温度改变不影响 目标产物的萃取分离。 • 由于高聚物对生物活性物质有稳定作用，在大 规模生产中多采用常温操作，从而节省冷冻费 用。但适当提高操作温度，体系黏度较低，有 利于分离。
若A向双节线移动，B、C两点接近，系线长 度趋向于零时，即 A 点在双节线 K 点时，体系变 成一相， K称为临界点。在同一系线上不同的点， 总组成不同，而上、下两相组成相同，只是两相 体积VT、VB不同，但它们均服从杠杆原理。
• B相和C相质量之比等于系线上CA与AB的 线段长度之比。又由于两相密度相差很小 ( 双 水 相 体 系 上 相 和 下 相 密 度 常 在 1.0 ～ 1.1kg ／ dm3 之间 ) ，故上下相体积之比也 近似等于系线上 CA 与 AB 线段长度之比， 即：
2.1.2 定义
• 利用双水相的成相现象及待分离组分在
两相间分配系数的差异，进行组分分离 或多水相提纯的技术就叫做双水相萃取
技术。
2.1.3 双水相的成相原因: 空间阻碍作用
•
根据热力学第二定律可知，混合是熵增加的过 程，因而可自发进行。
• 另一方面，分子间存在相互作用力，并且这种 分子间相互作用力随相对分子质量的增大而增 大。
大部分生物制品的原液是低浓度和有 生物活性的，需要在低温或常温条件进 行富集、分离，因而常规的萃取技术在 这些领域中的应用受到限制。双水相体 系就是考虑到这种现状，基于液液萃取 理论同时考虑保持生物活性所开发的一 种新型的液液萃取分离技术。
制药分离技术资料
温馨提示：明天工程考生物制药化学合成制药中药药剂等的制药分离技术及所需设备生物制药分离技术、设备1、液-液萃取液液萃取是分离液体混合物的一种单元操作，其方法是选择一种溶剂使混合物中欲分离的组分溶解与其中，其余组分则不溶或少溶而获得分离。
单级萃取、多级错流萃取、多级逆流萃取、微分接触式逆流萃取指：萃取相和萃余相逆流微分接触，使两相中的溶质浓度沿流动方向发生连续的变化。
多级错流萃取与多级逆流萃取的比较：◆分离要求、溶剂一定时：多级逆流萃取比多级错流萃取板数少。
◆板数一定时：多级逆流萃取比多级错流萃取溶剂用量少。
◆生产上多采用逆流萃取操作。
萃取设备设备的设计(1) 两相的分散与聚并分散区：通常情况下选择被萃物浓度低的一相作为连续相先注入设备的分散区内，启动分散机制后再同时通入分散相和连续相。
分散区的大小应满足两相实现要求传质量的接触时间(停留时间)。
分散相分散粒径越小，传质面积越大，聚并将越困难。
聚并区：在分散区内完成传质过程的两相需要在相对平稳的区域内进行聚并分相，以便于两相分离。
聚并区的大小应满足分散相完全迁移聚并的时间，并设置分散相的连续排出机制。
(2) 多级萃取或反萃设备——混合澄清槽(3) 微分萃取设备转盘萃取塔、振动筛板塔2、反胶团萃取反胶束萃取技术的应用1.分离蛋白质混合物如用二烷基磷酸盐/异辛烷反胶束溶液萃取分离溶菌酶和肌红蛋白。
2.浓缩α-淀粉酶如用TOMAC/异辛烷反胶束溶液萃取水相中的α-淀粉酶，以实现α-淀粉酶的浓缩。
3.直接提取细胞内酶如用CTAB/己醇-辛烷反胶束溶液直接从棕色固氮菌细胞内提取胞内脱氢酶，既不破坏菌细胞，也可保持酶的活性。
4.从动植物资源中提取蛋白质可利用反胶束溶液直接从大豆、菜籽、蚕蛹等残渣中提取分离有用的蛋白质。
表面活性剂(双亲物质)在非极性有机溶剂中,并使其浓度超过临界胶束浓度(CMC)，便会在有机溶剂内自发形成聚集体,又称为反胶团。
在反胶束中，表面活性剂的非极性基团在外与非极性的有机溶剂接触，而极性基团则排列在内形成一个极性核常用的表面活性剂：阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂（加入一定量的助溶剂）。
第五章-萃取
带来问题： • 产生乳化后使有机相和水相分层困难，出 现夹带：
1、水相夹带有机相，产物损失，有机溶剂回收 损失； 2、有机溶剂夹带水相，给后处理带来困难。
•
需尽量避免出现乳化，如出现乳化，需采取一定 措施破坏乳化。
1. 预处理，去除蛋白质能消除乳化。 2. 离心，离心力场中碰撞聚沉。实验室通过轻轻搅拌也 可促使其破坏。 3. 加入表面活性剂（转型法）O/W型乳浊液中，加入亲 油型乳化剂，在乳浊液油从O/W转为W/O的趋向，但 条件还不允许形成W/O，因而在转变过程中，乳浊液 就被破坏。常用破乳剂：阳离子 溴代十五烷基吡啶， 阴离子 十二烷基磺酸钠。 4. 加热，降低黏度，促使乳浊液破坏。
n
E n 1 1
计算得到n=2.74，故需三级萃取操作。 计算采用三级逆流萃取操作的收率为99.3%，高于错流 萃取操作。 说明多级逆流接触萃取效率优于多级错流萃取。
5.5 双水相萃取(aqueous two-phase extraction)
某些亲水性高分子聚合物的水溶液超过一定浓度 后可形成两相，并且在两相中水分均占很大比例， 即形成双水相系统。 利用亲水性高分子聚合物的水溶液可形成双水相 的性质，Albertsson于20世纪50年代后期开发了双 水相萃取法，又称双水相分配法（aqueous twophase partitioning）。
一般初始萃取相中溶质浓度为0，所以上式变为 HxF=Hx+Ly 因为H和L可以认为是常数，结合线性平衡（Henry） 关系式，可得：
mx F y 1 E
mL E H 式中E为萃取因子（extraction factor），即萃取平衡 后萃取相和萃余相中溶质量之比。
由E 可求得萃余分数 φ 和萃取分数 1- φ
生物分离工程 第五章
5
萃
取
5.5.3.3 pH值 pH值影响蛋白质的净电荷数，从而影响分配系数。
通过测定不同盐类存在下分配系数与pH值之间的关 系曲线的交点，来测定蛋白质、细胞器及微粒的等电点
的方法，称为交错分配法。 5.5.3.4 温度
温度影响双水相系统的相图，从而影响分配系数。
实际双水相萃取一般在室温下进行，不需冷却。
5
萃
取
5
萃 取
5.1 基本概念 5.2 分配定律与分配平衡
5.3 有机溶剂萃取 5.4 液液萃取操作
5.5 双水相萃取
5.6 液膜萃取
5.7 反胶团萃取
5
萃
取
5.1
5.1.1 萃取
基 本 概 念
利用液体或超临界流体作为溶剂提取原料中目标产 物的分离纯化操作。
上相（2） 萃取相 有机相 下相（1） 料液相 水相
（ 3 ）流动载体 （表 5.2 ）
能溶于膜溶剂，且对目标分子具有特异性输送作用。
5
萃
取
5.6.3.3
制乳与破乳
先将表面活性剂溶于有机溶剂中，加入水相（内水 相、反萃液），剧烈搅拌制备W/O型乳浊液，再将 W/O型乳浊液加入到料液相中，适当搅拌使乳浊液分散， 即可制成（W/O)/W乳状液膜。 破乳：化学破乳、静电破乳。
5
萃
取
5.6
液 膜 萃 取
由水溶液或有机溶剂构成的液体薄膜称为液膜。液 膜可将与之互不相溶的液体分隔开来，使一侧液体中的
溶质选择性地透过液膜进入另外一侧，实现溶质之间的 相互分离，这种分离方法称为液膜萃取。
水型液膜，油型液膜。
液膜萃取从本质上讲，实际上是一种萃取和反萃取 同时进行的有机溶剂萃取过程，也主要用于小分子生物 物质的分离过程。
第五章反胶团萃取与双水相萃取
反胶团溶液形成的条件和特性
5. 反胶团的含水率、大小
Wo
C水 C表面活性剂
R 3WoVW As
一般为10-100 nm
反胶团萃取蛋白质的基本原理
反胶团的溶解作用
由于反胶团内存在微水池，故可溶解氨基酸、肽和蛋白 质等生物分子，为生物分子提供易于生存的亲水微环境。 因此反胶团萃取特别蛋适合白质类生物大分子。
反胶团溶液形成的条件和特性
3. 胶团、反胶团的形成
将表面活性剂溶于水中，当其浓度超过临界胶束浓 度(CMC)时，表面活性剂就会在水溶液中聚集在一起 而形成聚集体，在通常情况下，这种聚集体是水溶 液中的胶束，称为胶团。
若将表面活性剂溶于 非极性的有机溶剂中， 并使其浓度超过临界胶 束浓度(CMC)，便会在 有机溶剂内形成聚集体， 这种聚集体称为反胶团。
3、混合澄清槽
混合-澄清式萃取器是一种最常用的液 -液萃取设备，该设备由料液与萃取剂的混 合器和用于两相分离的澄清器组成，可进 行间歇或连续的液-液萃取。
但该设备最大的缺点是反胶团相与水 相相混合时，混合液易出现乳化现象，从 而增加了相分离时间。
反胶团萃取的应用
➢ 蛋白质分离
反胶团萃取的应用
➢ 浓缩α-淀粉酶
将亲和配基（活性色素辛巴蓝）加入 到大豆卵磷酯-正已烷系统中，制成亲和反 胶团相，并将此胶团相固定于聚丙烯中空 纤维膜内，从而构建起亲和反胶团萃取膜 的分配色谱装置（AMPC）。
2、离心萃取器
反胶团溶液-水-蛋白质所组成的萃取体 系，由于表面活性剂的存在，界面张力低， 易乳化。另外，由于萃取的目标产物是蛋 白质，易变性失活。为了尽量避免蛋白质 的变性，应尽量缩短操作时间，因而反胶 团离心萃取是一项很合适的蛋白质萃取分 离技术。
【免费下载】制药分离工程思考题和练习题答案
1-2 分别给出生物制药、化学制药以及中药制药的含义。
生物药物是利用生物体、生物组织或其成分，综合应用生物学、生物化学、微生物学、免疫学、物理化学和药学等的原理与方法进行加工、制造而成的一大类预防、诊断、治疗制品。
广义的生物药物包括从动物、植物、微生物等生物体中制取的各种天然生物活性物质及其人工合成或半合成的天然物质类似物。
化学合成药物一般由化学结构比较简单的化工原料经过一系列化学合成和物理处理过程制得(称全合成);或由已知具有一定基本结构的天然产物经对化学结构进行改造和物理处理过程制得(称半合成)。
中药则以天然植物药、动物药和矿物药为主，但自古以来也有一部分中药来自人工合成(如无机合成中药汞、铅、铁，有机合成中药冰片等)和加工制成(如利用生物发酵生产的六神曲、豆豉、醋、酒等，近年来亦采用密环菌固体发酵、冬虫夏草菌丝体培养、灵芝和银耳发酵等)。
1-5 试说明化学合成制药、生物制药和中药制药三种制药过程各自常用的分离技术以及各有什么特点。
1-10 试按照过程放大从易到难的顺序，列出常用的8种分离技术。
1-11 结晶、膜分离和吸附三种分离技术中，最容易放大的是哪一种？最不容易放大的又是哪一种？1-12 吸附、膜分离和离子交换三种分离技术中，技术成熟度最高的是哪一种？最低的又是哪一种2-1简述植物药材浸取过程的几个阶段。
①浸润、渗透阶段，即溶剂渗透到细胞中②解析、溶解阶段，解析即溶剂克服细胞成分之间的亲和力③扩散、置换阶段，包括分子扩散和对流扩散2-4选择浸取溶剂的基本原则有哪些，对常用的水和乙醇溶剂适用范围进行说明。
①对溶质的溶解度足够大，以节省溶剂用量②与溶质之间有足够大的沸点差，以便于溶剂采用蒸馏方式回收利用 ③溶质在溶剂中扩散系数大和粘度小④价廉易得，无毒，腐蚀性小生物碱盐类、苷、苦味质、有机酸盐、鞣质、蛋白质、唐、树胶、色素、多糖类（果胶、粘液质、菊糖、淀粉），以及酶和少量挥发油都能被水浸出，选择性相对差，容易引起有效成分水解。
(二)制药分离工程(二)萃取
14.4
红霉素反萃取
反萃取操作同样可通过调节pH 值实现。红霉 素在pH9.4的水相中用醋酸戊酯萃取，而反萃 取用pH5.0的水溶液。
pH对青霉素及有机酸分配系数的影响
–青霉素是较强的有机酸，pH 值对其分配系数有很大影响。在 较低pH 下有利于青霉素在有机相中的分配，当pH 大于6.0时， 青霉素几乎完全分配与水相中。因此，选择适当的pH ，不仅有 利于提高青霉素的收率，还可根据共存杂质的性质和分配系数， 提高青霉素的萃取选择性。
一、影响因素 The influencing factors
ห้องสมุดไป่ตู้萃取剂 Extractant
使目标产物有较大的分配系数和较高的选择
性
选择：
由相似相溶原理，选择与目标产物极性相近的 有
机溶剂；
价廉易得；cheap 与水相不互溶；water-nonmiscible 与水相有较大密度差，粘度小，表面张力适
– 特点：只用一个混合器和一个澄清器；流程 简单，但萃取效率不高，产物在水相中含量 仍较高。
– Characteristic：simple, but the efficiency is low, the content of product is higher still in raffinate phase.
单级萃取操作One-level extraction
E m V L m FL 1 1 E
VR
FR
E 1
E1
Where E is extraction factor, and is mass fraction of product between the raffinate phase and the feed.
萃取过程中，离开液-液萃取器的萃 取剂相为萃取液；经萃取剂相接触后 离开的料液相称为萃余液（残液）。
红霉素反萃取
反萃取操作同样可通过调节pH 值实现。红霉 素在pH9.4的水相中用醋酸戊酯萃取，而反萃 取用pH5.0的水溶液。
pH对青霉素及有机酸分配系数的影响
–青霉素是较强的有机酸，pH 值对其分配系数有很大影响。在 较低pH 下有利于青霉素在有机相中的分配，当pH 大于6.0时， 青霉素几乎完全分配与水相中。因此，选择适当的pH ，不仅有 利于提高青霉素的收率，还可根据共存杂质的性质和分配系数， 提高青霉素的萃取选择性。
一、影响因素 The influencing factors
ห้องสมุดไป่ตู้萃取剂 Extractant
使目标产物有较大的分配系数和较高的选择
性
选择：
由相似相溶原理，选择与目标产物极性相近的 有
机溶剂；
价廉易得；cheap 与水相不互溶；water-nonmiscible 与水相有较大密度差，粘度小，表面张力适
– 特点：只用一个混合器和一个澄清器；流程 简单，但萃取效率不高，产物在水相中含量 仍较高。
– Characteristic：simple, but the efficiency is low, the content of product is higher still in raffinate phase.
单级萃取操作One-level extraction
E m V L m FL 1 1 E
VR
FR
E 1
E1
Where E is extraction factor, and is mass fraction of product between the raffinate phase and the feed.
萃取过程中，离开液-液萃取器的萃 取剂相为萃取液；经萃取剂相接触后 离开的料液相称为萃余液（残液）。
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双水相萃取
•双水相系统：因两种水溶性聚合物的水溶液，或一种 水溶性聚合物水溶液与盐溶液混合时的不相容性而形成
有明显界面的两相系统
•特点：两相均含有大量的水（高达80%以上），
•
界面张力小，一Leabharlann 只有0.5-10-4mN/m，•
萃取环境和条件温和，
•
生物相容性好，有时有稳定作用；
•
分配系数可控：聚合物修饰、相系统组成、
反胶团萃取
•1977年，瑞士学者Luisi等人首次提出用反胶团萃取蛋白质， •但并未引起人们的广泛注意。 •20世纪80年代，生物学家们才开始认识到反胶团萃取的重 •要性。
反胶团萃取
•胶团（micelles): 将表面活性剂溶于水中，当其浓度超 过临界胶团浓度时，表面活性剂就会在水溶液中聚集在 一起形成聚集体，称为胶团。 •水溶液中胶团的非极性基团在内，而极性基团在外。
双水相萃取
•1.双水相系统含较高浓度的水溶性聚合物和盐，会带 到产物中，去除需要辅助处理方法。 •2.成本较高。即使水溶性聚合物和盐尽管回收再用。 •3.选择性较低，分离纯化倍数低，一般只适用于粗分 离。
双水相萃取
双水相萃取
•选择双水相的原则
•1.能够获得高的产物回收和生物活性回收，高的分 离纯化倍数； •2.系统的物理化学性质有利于大规模的应用，有良 好的工艺性能，系统黏度低，相分离快，达到相平衡 时间短，工艺参数容易控制，工艺条件可调性范围大 ； •3.系统经济，成本低，无毒，适合大规模应用。
反胶团萃取
•反胶团的形状和大小 •反胶团的形状多为球形或近似球形，有时也呈柱状结构 。 •半径：一般10-100nm, 取决于盐的种类和浓度、溶剂、 表面活性剂的种类和浓度以及温度。 •W0=[水]/[表面活性剂]
反胶团萃取
•水池的性质： •水池提供亲水微环境，可溶解氨基酸、肽、蛋白质等。 •当含水率较低时，“水池”内水的理化性质相差悬殊。 •W0小于6-8时， 池中水的表观黏度上升50倍，疏水性也 极高。 •由于有较高的电荷浓度，“水池”中水的pH值不同于主 体的pH。
数K的因素，包括环境因素，相系统性质和组成就可以改变物质
的分配系数。
双水相萃取
•普通双水相萃取是指主要依靠空间位阻分配和界面电位 分物配/•盐的系双统水的相萃萃取取，，它如们利发用展聚最合早物，/聚也合是物研系究统最和多聚和合应 用最多的双水相系统，也是其它分配萃取系统的基础。 为了改进萃取效率和分离效果，利用控制相系统的pH或 在相系统中加入盐或有机溶剂的方法提高目的物的分配 系数。
•
操作条件容易放大，几百倍。
双水相萃取
•发展历史
•1896年荷兰微生物学家Berjerinck发现琼脂水溶液与可 溶性淀粉或明胶水溶液混合时形成双水相现象。
•1956年瑞典lund大学的Albertsson教授及其同事开始对 双水相系统进行比较系统研究。测定了许多双水相系 统的相图，考察了蛋白质、核酸、病毒、细胞及细胞 颗粒在双水相中的分配行为，为双水相萃取系统的发 展奠定了基础。只局限于实验室内的测定和理论研究 。
双水相萃取
•分配系数
• 一种物质在两相系统中的分配行为可用分配系数来
描述，分配系数K为该物质在上相和下相中的浓度之
比。 • •
•此处cT和cB分别为上相和下相中的目的物质浓度。当目的物质主
要分配在上相时，分配系数K值大于1，并随在上相中浓度的增加
而增加；反之，目的物质主要分配在下相时，分配系数K值会小 于1，并随在下相浓度的增加而减小。控制能够影响物质分配系
制药分离工程-第五章反 胶团萃取与双水相萃取
2020年6月2日星期二
第五章 反胶团萃取与双水相萃取
•1 •反胶团萃取 •2 •双水相萃取
反胶团萃取
•技术发展背景：
•随着生物工程的发展，传统的溶剂萃取方法难以应用于一些 •生物活性物质（如蛋白质）的提取和分离。急需研究和开发 •易于工业化的、高效的生化物质分离方法。 •反胶团萃取（reversed micellar extraction) •P72页英文单词错误。
•反胶团（reversed micelles): 将表面活性剂溶于有机溶剂 中，当其浓度超过临界胶团浓度时，表面活性剂就会在 有机溶液中聚集在一起形成聚集体，称为反胶团。
•有机溶液中胶团的非极性基团在外，而极性基团在 内。
反胶团萃取
•在反胶团中，极性基团排列在内，形成一个极性核， 溶解水后，就形成“水池”，起保护作用，使蛋白质 不失活。
双水相萃取
•发展历史
•Kula教授研究小组对双水相的应用、工艺流程、操作 参数、工程设备、成本分析等进行了大量研究，在应 用上获得成功。1978年首先将双水相萃取技术用于酶 的大规模分离纯化，建成了一套工业装置，达到 20kg/h的处理能力，分离纯化了几十种酶，也应用于 基因工程产品的分离。 •双水相萃取可分离多肽、蛋白质、酶、核酸、病毒、 细胞、细胞器、细胞组织，以及重金属离子等，近年 来，还应用于一些小分子，如抗生素、氨基酸和植物 的有效成分等的分离纯化。作为反应系统用于酶反应 ，生物转化，发酵的产物生产与分离的集成。
反胶团萃取
•常用的表面活性剂： •阴离子表面活性剂：丁二酸-2-乙基己基酯磺酸钠 •阳离子表面活性剂：溴化十六烷基三甲胺，溴化十二 烷基二甲胺，氯化三辛基甲胺
反胶团萃取
•丁二酸-2-乙基己基酯磺酸钠
• 丁二酸-2-乙基己基酯磺酸钠（AOT),最常用，原因： 1. 易于获得 2. 具有双链，极性基团小，形成反胶团时，不需要加入助表面活性剂 3. 形成的反胶团半径较大，有利于大分子蛋白的进入
反胶团萃取
•反胶团萃取蛋白质的过程：
•蛋白质进入反胶团溶液是一种协同过程。
•表面活性剂同临近蛋白质发生静电作用而变形---》在 两相界面形成反胶团----》扩散到有机相中。----》改 变pH,离子种类、强度等，可使蛋白质由有机相重新返 回水相，实现反萃取过程。
反胶团萃取
•蛋白质溶入反胶团的推动力： •1.静电作用力（最直接的因素是pH值,与等电点PI）。 •2.空间位阻效应（水池的大小和形状）。
反胶团萃取
• 影响反胶团萃取蛋白质的主要因素： 1. 与反胶团有关的因素：表面活性剂种类、浓度， 有机
溶剂种类，助表面活性剂及其浓度 2. 与水相有关的因素：pH值，离子的种类，离子的强度 3. 与目标蛋白质有关因素：蛋白质的等电点、大小、浓
度、表面电荷分布 4. 与环境有关的因素：系统的温度、压力